2018, Vol. 38
2. 北斗导航应用技术河南省协同创新中心，郑州市科学大道62号, 450001;
3. 贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳市宝山南路27号, 550002
GNSS接收机的原始设备制造商(OEM)板轻巧灵便、耦合度低、性能优良，基于其输出的导航数据信息，再结合计算机、通信等技术，可方便高效地开发出满足特定需求的产品，在市场中被广泛应用[1-3]。本文以Trimble公司的BD970 OEM板为例，详细介绍其内部结构、功能和对外接口；采用基于Trimble BD970 OEM板开发的组装接收机，实测并记录其原始二进制BINEX格式的数据流文件，通过C语言编程实现BINEX的解码，并利用解码后的数据完成GNSS观测数据的质量评估，同时比较各系统间观测数据质量的差异，为后续产品的改进与数据处理过程中数据的挑选提供依据。
1 BD970主板介绍Trimble BD970 OEM板是Trimble公司在2014年开发的一款多系统多星板卡。它是一款专门为cm级用户设计的高性能产品，能够适用于cm级的任何定位导航，已成为目前国内主要GNSS厂商制造GNSS接收机的核心主板[4-5], 对该板卡的数据结构和观测数据质量进行分析有重要的意义。
BD970支持同时接收多种卫星信号，包括GPS系统L1C/A、L2E、L2C、L5，GLONASS系统L1C/A、L1P、L2C/A，SBAS系统L1C/A、L5，Galileo系统L1BOC、E5A、E5B、E5BOC，Beidou系统B1、B2和QZSS系统L1C/A、L1SAIF、L2C、L5。为了在各种环境下可靠运行，BD970板卡提供办公室电脑定位接口、外部处理装置或控制系统，板卡可以通过串口、以太网、USB端口控制，或者使用二进制接口命令或Web界面操作。其中，RS-232串行接口规范使得远程计算机设备可以通过RS-232接口使用数据格式包与BD970接收机进行通信。RS-232接口提供了详细的用来配置BD970接收机和相应操作的命令包，以及从接收机检索位置和状态信息的报告包。此外，该板卡支持HTTP、NTP、NTRIP、TCP/IP等网络传输协议，具有星载多路径抑制、低海拔跟踪和显著改善RTK初始化等功能，并且可以同时输出高达50 Hz的观测数据和定位信号，以及多种格式的导航信息和参考信息。其支持的电文格式有RTCM、CMR、RT17/RT27、NMEA、BINEX等，涵盖了多系统的数据。BINEX这种数据格式不仅能兼容多个导航系统，而且在保持原始数据精度的同时还能大大缩减文件大小，这对BINEX二进制流文件的解码显得尤为重要。
2 BINEX解码 2.1 数据格式BINEX是由UNAVCO社区和一些接收机制造商合作完成的一种用于GNSS研究的二进制格式标准[6]。目前，BINEX的数据结构能够兼容GPS、GLONASS、SBAS、BDS、Galileo和QZSS 6个导航系统的观测文件和导航星历文件，同时兼容接收机内部的状态文件、气象数据文件等。在BINEX设计中，定义了广义记录结构，并且根据所需CRC(循环冗余校验)的级别，有两组可能的记录：一个具有常规CRC模型，另一个具有增强的CRC模型。此外，根据BINEX文件读取的顺序分类，每种CRC模型的记录又可分为两种设计，如图 1、图 2。
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图 1 仅允许正向轻松读取记录的结构 Fig. 1 Only allow the structure of the record to be easily read in the forward direction |
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图 2 允许向前或向后轻松读取记录的结构 Fig. 2 Allows you to easily read the structure of a record forward or backward |
可以看出，一段完整的BINEX数据主要由同步头、信息类型、信息长度、信息内容、CRC检验码等5个部分组成。只有在需要更安全可靠的数据传输时，才会增加使用1~4 bytes的记录消息，即可选用含增强CRC模型的版本。另外，图 2中介绍的向前向后读取记录，可以从时间标签直接确定开始和结束历元而不需要将整个文件读完才能确定，这样对于某些应用程序可节省大量处理时间，某些情况优于图 1的存储结构。下面将详细介绍一段BINEX数据的各个字段。
1) 同步头。同步头是BINEX数据的第一个字节，被定义的头字节共有8种，如表 1所示。
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表 1 同步头字节类型 Tab. 1 Sync header byte type |
2) 信息类型。指定该段BINEX数据存储的数据类型，见表 2。
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表 2 信息记录类型ID Tab. 2 Information record type ID |
3) 信息长度。表示后面存储的数据长度，不包括CRC检校码字节。
4) 信息内容。该部分存储详细的可利用数据信息，如观测值或星历等。当类型ID是0x01时，在信息内容部分要首先确定子记录ID，其中包括0x00-0x07和0x41-0x47。同样，其他类型ID也会有相对应的字记录ID。
5) CRC检验码。CRC(cyclical redundancy check)又称循环冗余码检校，是数据通信领域中最常用的一种差错检校码。每条信息记录都包含一个记录检校码，它根据记录ID、记录长度和记录信息生成。究竟使用哪种类型的检校和检校字节数，主要取决于检校和所覆盖的字节总数以及记录格式是常规CRC还是增强CRC。表 3给出了检校码的设计规则。
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表 3 CRC检校规则 Tab. 3 CRC check rules |
解码即按照BINEX规定的协议将各字段数据取出，并解成ASCⅡ码形式的用户可使用数据。图 3给出了BINEX数据整体解码流程。
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图 3 BINEX解码流程 Fig. 3 BINEX decoding flow chart |
0x01和0x7F是两种信息类型ID，分别提供了GNSS星历和观测量信息，是卫星导航定位中的主要内容。针对这两种类型，图 4给出了对其信息内容解码的详细流程。
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图 4 信息内容解码流程 Fig. 4 Information content decoding flowchart |
解码过程中应特别注意数据类型，即流文件的存储形式。如char型的数据表示有符号型整数，负数在计算机中利用补码来进行存储，解码时应注意判断正负；unsigned表示无符号类型，解码时可直接读取，但也要注意其存储范围。
2.3 实验算例按照上述算法编写程序，采用Trimble BD970 OEM板采集BINEX格式的原始流文件数据用于实验分析，二进制实例数据及其信息如下：E2 01 76 05 05 02 34 00 03 3D B0 00 03 3D B0 00 03 3D B0 00 00 00 00 2E 0B 57 00 B9 F4 59 58 2F 7C C0 00 3F C1 63 8C 60 70 A0 E9 3F 3A FA 77 80 00 00 00 40 B9 5D 7E 20 A0 00 00 B2 EC 00 00 C2 95 D0 00 B3 C1 00 00 43 E8 8C 00 37 81 7B 00 36 2A 68 00 BF B2 08 67 05 E2 A8 EF C0 03 33 41 08 AE 6E FA 3F BD 7E 3F 81 73 DF 88 2F 0C 00 00 2E 06 80 00 10 40 03 E9 01 70 2A。其中，同步头为0xE2，信息类型为0x01，信息长度为0x76，字记录ID类型为0x05，CRC检验码为0x2A。图 5给出了译码后的RINEX格式星历信息。经与IGS提供的北斗星历RINEX文件对比，结果一致，充分验证了其解码的可靠性。限于篇幅，此处只给出星历的解码实例，数据质量分析部分将采用解码后的观测数据进行。
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图 5 信息内容译码后的RINEX格式星历 Fig. 5 Information content decoded after RINEX format ephemeris |
为评估BD970 OEM板所采集数据的质量情况，选取郑州某站点该OEM板在2016-10-25~2016-10-29(年积日299~303)共5 d，采样间隔为1 s的观测数据。利用相关数据分析软件及自编软件对观测数据进行处理，图 6、图 7和图 8分别给出了实验站各系统5 d的数据完整率、周跳比和电离层延迟跳变值。
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图 6 实验站各天的数据完整率 Fig. 6 The data integrity rate of each day |
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图 7 实验站各天的周跳比 Fig. 7 The experimental station is different from each other |
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图 8 实验站各天的电离层延迟跳比 Fig. 8 The ionospheric delay ratio of the experimental station |
可以看出，该BD970 OEM板采集的观测数据完整率整体较好，基本保持在95%以上；GPS的周跳历元最少、周跳比最大，GLONASS和Galileo系统次之，周跳比能保持在1 000以上；GLONASS系统观测数据发生电离层延迟跳变的情况较GPS和Galileo频繁。在针对北斗系统数据的获取方面，该板的性能较差，周跳比太低，电离层跳变严重。
钟跳发生时，所有卫星的载波相位观测值或伪距观测值都会发生跳跃，基于观测数据探测钟跳发生的次数是衡量GNSS数据质量的重要指标之一。经统计，在实验的所有数据中未出现ms级钟跳历元，证明该OEM板卡的钟质量较好，能保证其稳定性。
信噪比能够衡量接收机接收信号的能力并反映信号跟踪捕获的性能，多路径误差是影响应用端定位处理的重要误差源之一。图 9和图 10分别给出2016年年积日299~303实验站观测数据信噪比和伪距多路径值。
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图 9 实验站各频点多天的信噪比平均值 Fig. 9 The average of the signal-to-noise ratio of the frequency of the experimental station |
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图 10 实验站各频点多天的多路径误差值 Fig. 10 Multi-path error value of multi-day at each frequency of experimental station |
由图 9可以看出，各系统各频点信噪比的平均值均介于35~55 dB Hz这一波动范围，反映出该板卡的信号捕获能力满足一般用户的需求。
多路径效应的出现，使接收机采集伪距存在系统偏差，致使定位结果不准。结合图 10给出的多路径误差值，GPS、GLONASS和Galileo系统各频点的伪距多路径误差均在0.5 m以下，满足一般测量型接收机观测数据质量评估的指标值。由于北斗系统B1和B2频点的多路径误差较大，说明北斗观测数据质量较差，这里未绘出。
4 结语本文基于自主设计的GNSS数据信号采集与处理平台，根据二进制协议及BINEX数据结构对Trimble BD970接收机组装样机完成了实时数据流的传输和解码，得到多系统观测数据和星历，为后续实时数据处理和接收机内部算法开发奠定了基础。通过采用解码后的观测数据进行GNSS数据质量的综合评估，验证了该接收机组装样机的信号捕获和数据采集性能，为后续OEM板的综合性能测试提供了数据基础。从质量分析结果来看，该板卡采集的GPS系统观测数据质量最好，满足测量型接收机的数据质量指标；北斗系统的观测数据质量较差，针对北斗系统的信号捕获性能还有待提高。
致谢 感谢信息工程大学iGMAS分析中心的帮助和支持。
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2. Beidou Navigation Technology Collaborative Information Center of Henan, 62 Kexue Road, Zhengzhou 450001, China;
3. Guizhou Provincial Water Conservancy and Hydropower Survey & Design Institute, 27 South-Baoshan Road, Guiyang 550002, China